Soutenance mémoire
Symbiose fixatrice d’Azote Légumineuses-rhizobia
Généralités sur les Légumineuses
Les Légumineuses comprennent approximativement 18000 espèces et 650 genres (Polhill et Raven, 1981). Selon Broughton (1983), elles forment l’une des plus grandes familles de plantes. Elles se divisent en trois sous familles : les Papilionacées ou Fabacées, les Mimosacées et les Césalpiniacées. La spécificité des Légumineuses réside dans leur capacité à former, pour la plupart, des nodosités en symbiose avec des bactéries fixatrices d’azote (de Faria et al., 1998 ; Dommergues et al., 1999). Sur la totalité des Légumineuses recensées, 20 % seulement ont été étudiées du point de vu de leur nodulation. Selon Dommergues et al. (1999), 97 % des espèces examinées chez les Fabacées, 90 % chez les Mimosacées (Acacia…) et 23 % chez les Césalpiniacées sont capables de noduler. Les Légumineuses occupent une place importante dans la flore du Sénégal. Elles comptent 330 espèces recensées, réparties en 94 genres. Elles représentent 16 % des espèces et 11 % des genres de la végétation totale (Diédhiou, 1993). Chez les Légumineuses spontanées, les genres les plus représentés appartiennent à la Famille des Fabacées (77 %), puis les Mimosacées (11,70 %) et enfin les Césalpiniacées (11,30 %).
Les rhizobia
La famille des Rhizobiacées est constituée par un ensemble hétérogène de bactéries en bâtonnet gram-négatives aérobies, non sporulantes. Elles peuvent s’associer avec les racines et, parfois les tiges des Légumineuses pour y former des nodosités (Dommergues et al., 1999). Ces rhizobia sont capables de fixer l’azote atmosphérique (N2). Bien que l’atmosphère en constitue une réserve inépuisable (78 à 79 %) ; l’azote est le deuxième facteur limitant de la croissance des plantes après l’eau. Les nodosités sont le siége d’une interaction symbiotique entre d’une part ; la bactérie, qui fixe l’azote atmosphérique (N2) et le fournit à la plante hôte sous une forme assimilable (NH3) et d’autre part, la plante hôte qui procure à la bactérie un micro habitat exceptionnellement favorable et les substrats carbonés provenant de la photosynthèse (Dommergues et al., 1999).
Ces micro-organismes sont actuellement regroupés en 63 espèces réparties en 12 genres distribués en 2 groupes (http://edzna.ccg.unam.mx/rhizobial-taxonomy/node/4) : Les Alpha protéobactéries : Azorhizobium (Dreyfus et al., 1988), Bradyrhizobium (Jordan, 1982), Devosia (Nakagawa et al., 1996), Ensifer (Sinorhizobium) (Casida, 1982), Mesorhizobium (Jarvis et al., 1997), Methylobacterium (Patt et al., 1976), Ochrobactrum (Holmes et al., 1988), Phyllobacterium (Knösel, 1984) et Rhizobium (Frank, 1889); Les Beta protéobactéries : Burkholderia (Yabuuchi et al., 1993), Cupriavidus (Makkar et Casida, 1987) et Herbaspirillum (Baldani et al., 1986).
Etablissement de la symbiose
Les bactéries infectent les tiges et/ou les racines des plantes qui forment des nodosités puis s’associent à ces d erniers. Dans la symbiose fixatrice d’azote, les gènes bactériens dits de nodulation, qui comprennent les gènes de structure et les gènes régulateurs, jouent un r ôle central dans ce dialogue. En présence de substances inductrices provenant des racines (flavonoïdes et bétaïnes), la bactérie est attirée par chimiotactisme et ses p rotéines régulatrices NodD sont activées et induisent l’expression des gènes de structure de la nodulation. La reconnaissance d’une protéine régulatrice NodD donnée par un spectre particulier d’inducteurs racinaires détermine un premier niveau de spécificité dans l’interaction symbiotique. L’expression des gènes structuraux conduit à la production de signaux bactériens extracellulaires, appelés facteurs Nod, qui jouent un r ôle essentiel dans le processus d’infection et l’organogenèse des nodosités. Les facteurs Nod induisent différentes réponses de la part de la racine comme les déformations des poils absorbants, la dépolarisation du potentiel de la membrane du poil absorbant et la formation du primordium nodulaire (Heidstra et Besseling, 1996). En définitive, le spectre d’hôte des rhizobia dépend dans une très large mesure de la structure des facteurs Nod. De son côté, la plante répondrait aux signaux bactériens par l’intermédiaire de récepteurs des facteurs Nod spécifiques. Il y a là un t roisième niveau de spécificité qui implique très précisément la plante. La spécificité ne dépendrait donc pas exclusivement de la structure des facteurs Nod, mais aussi des récepteurs végétaux. En d’autres termes, la spécificité serait aussi contrôlée par la plante. Ce rôle de la plante ne concerne pas seulement la spécificité de ses relations avec le rhizobium mais aussi les divers mécanismes d’infection et l’anatomie des nodosités. Le rôle de la bactérie serait d’activer le programme génétique de la plante par la voie des signaux émis.
Contraintes environnementales sur la fixation biologique de l’azote
Influence des caractéristiques du sol
Certaines caractéristiques majeures du sol (sécheresse, acidité, salinité, ….) affectent la nodulation et la fixation d’azote des Légumineuses (Diem, 1993).
Eau
L’eau est le facteur limitant majeur de toutes les activités biologiques. La sécheresse est certainement la contrainte la plus dévastatrice pour la production végétale (Le Rudulier et al., 1984). Toutefois, la présence de rhizobia dans les sols désertiques et la nodulation effective des légumineuses y vivant (Waldon et al., 1989) montrent que les rhizobia peuvent survivre dans des sols avec un niveau d’humidité limité. Les bactéries libres sont capables de survivre en milieu sec ou à un pot entiel hydrique très bas (Fuhrmann et al., 1986). Des études ont montré que la sensibilité au stress hydrique change avec la souche de rhizobium (Orchard et al., 1983). Les densités de population tendent à diminuer dans les conditions sèches et augmentent dès que le niveau hydrique est relevé (Tate, 1995).
Acidité
Par définition, tout sol dont le pH est inférieur à 7 est un sol acide, mais le sol commence à poser des problèmes seulement lorsque son pH est inférieur ou égal à 5, sauf s’il est très riche en matière organique (Dommergues et al., 1999). En plus de la concentration élevée en ion H+ (acidité proprement dite), les principaux problèmes posés par les sols acides sont :
– la faible teneur en nutriments, notamment en calcium ;
– les teneurs élevées en aluminium, manganèse ou fer échangeables, qui sont toxiques pour les plants ;
– l’insolubilisation du phosphore et/ou du molybdène ;
– le ralentissement de la vitesse de décomposition de la matière organique, d’où réduction de la disponibilité des substrats énergétiques (Evans et Szott, 1995). La tolérance à l ’acidité des bactéries serait liée à leur aptitude à r éguler leur pH cytoplasmique. L’acidité du sol exerce probablement une pression de sélection sur les souches de rhizobia dans le sol. Toutefois, les souches isolées des sols acides ne sont pas nécessairement tolérantes à l’acidité ; car elles peuvent vivre dans des micro sites, où le pH leur est favorable (Graham, 1992). En général, les rhizobia à cr oissance rapide sont moins tolérants à l’acidité que les Bradyrhizobium (Dommergues et al., 1999). Les premières étapes de l’infection racinaire sont très sensibles à l’acidité. D’après Reddell (1995), la réduction de la nodulation qui se manifeste très nettement lorsque le pH du sol est inférieur à 5 pourrait avoir trois causes : faible teneur du sol en calcium, forte teneur en aluminium, teneur élevée en H+ et Mn2+. D’après Richardson et al. (1988) une forte acidité du sol affecte l’activation des gènes nod bactériens par l’intermédiaire des flavones de la plante ; quelle que soit le niveau de tolérance du rhizobium à ce facteur.
Salinité
Au moins, 7 % des terres émergées sont affectées par le sel (Dommergues et al., 1999). La salinité a un effet délétère sur la croissance et la survie des populations bactériennes telluriques (Singleton et al., 1982). En effet, Tu (1981) et Singleton (1983) ont observé, chez des cultivars de soja sensibles au sel que le processus d’établissement de la symbiose est très sensible au stress salin. L’initiation nodulaire est en outre extrêmement sensible au NaCl par réduction des sites d’infection de la racine, du nombre des poils radiculaires et de la proportion de ceux qui portent des codons d’infection (Zahran et Sprent, 1986). La tolérance au sel des rhizobia est très variable et dépend, probablement dans une grande mesure, de l’efficacité de leurs mécanismes d’osmorégulation (Brhada et Le Rudulier, 1995). Plusieurs espèces de bactéries s’adaptent aux conditions salines par l’accumulation intracellulaire d’osmolytes (Csonka et Hanson, 1991 ; Zahran et al., 1997). L’accumulation des osmolytes contrecarrerait l’effet de déshydratation, mais n’interfère pas avec la structure ou la fonction macromoléculaire (Smith et al., 1994). Le tréhalose (disaccharide) joue également un rôle dans l’osmorégulation (Hoelzle et Streeter, 1990). Selon Breedveld et al. (1991), il s’accumule à des niveaux élevés dans les cellules de R. leguminosarum sous la pression osmotique induite par l’hyper salinité.
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Table des matières
INTRODUCTION
SYNTHESE BILIOGRAPHIQUE
1. Symbiose fixatrice d’Azote Légumineuses-rhizobia
1.1. Généralités sur les Légumineuses
1.2. Les rhizobia
1.3. Etablissement de la symbiose
1.4. Fonctionnement de la symbiose fixatrice de N2
2. Contraintes environnementales sur la fixation biologique de l’azote
2. 1. Influence des caractéristiques du sol
2.1.1.Eau
2.1.2.Acidité
2.1.3.Salinité
2.1.4 Carence en nutriments
2.2.Influence des facteurs climatiques
2.2.1.Température et lumière
3. Acacia senegal
3.1.Caractéristiques botaniques
3.2.Taxonomie
3.3.Biogéographie et Ecologie
3.4.Ethnobotanique de l’arbre
3.4.1.Production de gomme arabique
3.4.2.Agroforesterie
3.4.3. Pharmacopée
4.Présentation de la zone d’étude
4.1.Zone sylvopastorale
4.2.Zone sud bassin arachidier
4.3.Zone du Sénégal oriental
MATERIEL ET METHODES
1.Matériel végétal
2.Sols
3.Test de germination
4.Piégeage des populations de rhizobia
5.Estimation du nombre le plus probable de rhizobia par MPN
6. Caractérisation moléculaire
6.1.Extraction de l’ADN
6.2.Analyse du polymorphisme de l’ADNr 16S-23S par PCR – RFLP
6.2.1.Amplification de l’ADN par réaction de polymérisation en chaîne(PCR)
6.2.2.Analyse du polymorphisme des fragments de restriction (RFLP)
7.Isolement des souches de rhizobia
RESULTATS
1.Taux de germination des différentes provenances
2.Piégeage
2.1. Piégeage avec la provenance Vélingara
2.2.Piégeage avec la provenance Mbeuleukhé
2.3.Piégeage avec la provenance Louga
3.Évaluation du nombre de bactéries par gramme de sol par MPN
4.Caractérisation génétique des souches d’ A. senegal
4. 1. Amplification
4.2.Analyse du polymorphisme des fragments de restriction
4.3.Répartition des groupes RFLP selon l’origine géographique des sols
5.Isolement des souches de rhizobia
DISCUSSION
CONCLUSION ET PERSPECTIVES
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXE
